DE4419841A1 - Verfahren zur Ansteuerung des Arbeitspunktes einer Verstärkerstufe - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Ansteuerung des Arbeitspunktes einer Verstärkerstufe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, daß bei Bildröhren, die mit einer hohen Videosi­ gnalamplitude angesteuert werden, wie z. B. Projektoren, die Videoverstärker zur Ansteuerung der Bildröhren für höhere Versorgungsspannungen und Aussteuerungen ausgelegt werden. Eine Grenze ergibt sich in der maximalen Spannung und Temperaturbela­ stung der Transistoren. Die Videosignale mit den hohen Anforde­ rungen an die Endstufe treten aber nur in den seltensten Fällen auf, wie z. B. bei Frequenzgangmessungen oder speziellen Compu­ tergraphiken. Daher ist eine Auslegung der Endstufe auf diese höheren Belastungen im Normalbetrieb eher schädlich, da der Lei­ stungsverbrauch und die Hitzeentwicklung ansteigen. Die Ursache dieses Problems liegt in der Temperaturabhängigkeit des Transi­ stors von der Frequenz, da der Strom und damit die Temperatur bei hohen Frequenzen linear zunehmen.

Weiterhin verschiebt sich der Arbeitspunkt des Videoverstärkers bei hohen hochfrequenten Signalaussteuerungen, und es werden dann niederfrequente Signalkomponenten verzerrt übertragen. In der Praxis zeigen sich dann die Rücklauflinien der Ablenkschal­ tungen und verschiedene fehlerhafte Bildhelligkeiten bei überlagerten Balkenmustern oder Graustufen. Eine Erhöhung des Ruhestromes für den Arbeitspunkt des Videoverstärkers würde das Problem zwar lösen, hätte aber die bekannten Leistungs- und Temperaturprobleme zur Folge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verzerrungsfreie Darstellung von Videosignalen mit geringem Aufwand an Bauteilen zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angege­ benen Merkmale der Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildun­ gen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Arbeitspunkt einer Verstärkerstufe mit Hilfe einer Regelgröße gesteuert, die in Ab­ hängigkeit von der frequenzmäßigen Aussteuerung der Verstärker­ stufe gewonnen wird. Der Verstärkerstufe ist ein Emitterfolger nachgeschaltet, aus dessen Strompfad die Regelgröße gewonnen wird. Mit steigender Frequenz nehmen, physikalisch bedingt, die Blindströme in dem Transistor des Emitterfolgers zu. Dadurch er­ höht sich der Strom im Strompfad des Emitterfolgers, und der Spannungsabfall an einem Widerstand im Strompfad des Emitterfol­ gers steigt an. Die so gewonnene Regelgröße wird über Kondensa­ toren gleichgerichtet und/oder gefiltert. Die frequenzmäßige Ab­ hängigkeit wird durch den Spannungsabfall am Widerstand erzeugt, da bei hohen Frequenzen der Strom durch den Transistor zunimmt. Die Spannung über dem Widerstand steigt an, und am Eingang der Verstärkerstufe wird der Arbeitspunkt in gewollter Weise beeinflußt.

Die mit der Frequenz ansteigende (physikalisch bedingte) Verlustleistung des Transistors des Emitterfolgers liefert insbesondere die Regelgröße. Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Regelgröße an einem linearen Eingang der Verstärkerstufe zu gewinnen.

Diese Steuerung des Arbeitspunktes ermöglicht eine höhere Aussteuerfähigkeit der Verstärkerstufen, speziell bei hohen Fre­ quenzen, und reduziert die Leistungsaufnahme, wenn diese erhöhten Anforderungen nicht auftreten. Eine verzerrungsfreie Darstellung von Videosignalen mit großem Anteil von hohen Frequenzen speziell auf Bildschirmen von Kathodenstrahlröhren ist mit geringem Aufwand an Bauteilen möglich.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläu­ tert. Darin zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schaltung,

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 eine nächste Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 eine Darstellung von Videosignalen und

Fig. 6-8 zeigen Weiterbildungen der Erfindung.

Fig. 1 zeigt die Verstärkerstufe 1 mit den Transistoren TV06 und TV05, weiterhin den Emitterfolger 2 mit dem Transistor TV07 und die Treiberstufe 3 mit dem Transistor TV03 und den Widerständen RV05 und RV03, die für die Gesamtverstärkung sorgen. Der Transistor TV05 bekommt von dem Transistor TV03 Wechsel- und Gleichspannungs-Informationen, hingegen der Transistor TV06 nur die Wechselspannungsinformationen. Die Schaltung entnimmt dem Transistor TV07 des Emitterfolgers 2 aus dessen Strompfad die Regelgröße. Die frequenzmäßige Abhängigkeit in Form einer Regelgröße wird durch den Spannungsabfall am Widerstand RV30 er­ zeugt, da bei hohen Frequenzen der Blindstrom des Transistors, physikalisch bedingt, zunimmt. Die Spannung steigt folglich an, und am Eingang der Verstärkerstufe 1 wird der Arbeitspunkt in gewollter Weise beeinflußt. Der Kondensator CV23 dient als Filter und der Kondensator CV22 als Gleichrichter. Das heißt, sie unterdrücken die restlichen Hochfrequenz- und Videokomponen­ ten. Über den Widerstand RV16 wird diese Spannung dem Transistor TV06 zugeführt. Über die Widerstände RV15 und RV16 wird die Grundeinstellung vorgenommen. Diese kann nun sehr stromsparend gewählt werden. Der Ruhestrom wird ferner von dem Transistor TV07 und der fast durch den Widerstand RV05 bestimmt.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Um den Einfluß des Widerstandes RV05 zu kompensieren, ist eine zusätzliche Re­ gelung über RV16 möglich. Würde mit dem Helligkeitsregler gleichspannungsmäßig die Signalspannung durchfahren, entstünde an dem Widerstand RV30 ein Spannungsabfall, ohne daß eine hohe Frequenz verwendet wird, und die Regelung wurde den Widerstand RV05 und den Transistor TV07 belasten. Dieses wird vermieden, indem der Widerstand RV15 über den Punkt A mit dem Widerstand RV05 verbunden wird. Steigt nun die Gleichspannung am Punkt A, wird diese zusätzlich als Regelkomponente von der Basis des Transistors TV06 ausgewertet. Wenn die Gleichspannung ansteigt, ohne daß eine hohe Frequenz benötigt wird, wird vermieden, daß der Betriebsstrom zu groß wird.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel weist als Schutzmaßnahme eine Diode DV11 auf, damit beim Wegfall der Widerstände RV30 und/oder RV31 der Transitor TV06 keinen zu hohen Basisstrom bekommt. Weiterhin schützt die Diode DV11 auch vor zu hohem Anstieg der Regelspannung an der Verstärkerstufe. Die Diode DV12 dient zur Kompensation der Basis-Emitter-Diode vom Transitor TV06, insbesondere zur Temperaturkompensation. Der Widerstand RV31 dient zur Verstärkung der Siebung des Kondensators CV22.

Fig. 4 zeigt ein vereinfachtes Ersatzschaltbild. Die abgegrif­ fene Spannung über dem Widerstand RV30 wird über den Hochpaß 4 und den Widerstand RV16 an den Transistor TV06 weitergegeben. Der Transistor TV06 hat wiederum Verbindung mit dem Emitterfol­ ger TV07. Der Hochpaß besteht aus dem Kondensator CHP, den Dioden D1, D2, dem Filterkondensator CF und dem Arbeitswider­ stand RA. Wird aufgrund der steigenden Frequenz ein höherer Si­ gnalstrom benötigt, kann aufgrund der Rückführung über den Hochpaß 4 auf die Basis des Transistors TV06 eine Erhöhung des Signalstroms vorgenommen werden.

Fig. 5 zeigt die Messungen bei einem Videosignal von 15 MHz.

Fig. 5.1 stellt das Videoeingangssignal an dem Transistor TV01 mit den Kenngrößen weiß W, schwarz S, Burst Bu und Blanking B1 dar.

Fig. 5.2 stellt das Videoausgangssignal VAUS an BV13-CAT mit Re­ gelung dar. Mit Regelung hat das Ausgangssignal einen Maximal­ wert von 230 Vss. Der maximale Strombedarf ist mit Regelung 120 mA.

Fig. 5.3 stellt das Videoausgangssignal VAUS an BV13-CAT ohne Regelung dar, wobei die Rücklaufsignale RS nicht ausreichend dunkel getastet sind. Das maximale Ausgangssignal VAUS ist begrenzt und verzerrt. Ohne Regelung hat das Ausgangssignal ei­ nen maximalen Wert von 50 Vss. Der maximale Strombedarf ist ohne Regelung ca. 60 mA.

Für beide Werte, mit oder ohne Regelung, gilt der gleiche Gesamtruhestrom der Endstufe von 13 mA bei der Betriebsspannung UB=250 Volt. Das entspricht einer Leistung von 3,25 Watt. Der maximale Strombedarf ist ohne Regelung ca. 60 mA und mit Regelung 120 mA. Da diese Werte nur kurzfristig auftreten, ist die Gesamtbilanz positiv im Bezug auf Aufwand und Leistungsver­ brauch.

Jeder Transistor hat eine Transitfrequenz, bei der die Verstär­ kung von Hochfrequenz HF den Wert 1 erreicht. Dann ist die Grenze dieses Transistors bezüglich HF-Verstärkung absolut erreicht. Dieser Wert "1" wird auch "Gewinn-Bandbreitenprodukt" genannt. Ein Transistor kann im Arbeitspunkt der maximalen Transitfrequenz auch die höchste Spitzenaussteuerung für Hochfrequenz aufbringen. Dieser Arbeitspunkt ist mit einem höheren Stromverbrauch verbunden.

In Fig. 6 ist dieser höhere Stromverbrauch durch die Änderung vom Arbeitspunkt AP1 auf den Arbeitspunkt AP2 durch das Anstei­ gen des Stromes ic dargestellt. Für die Auslegung des Ver­ stärkers ist es sehr wichtig, ob er mit 1 W oder 10 W Verlust­ leistung betrieben wird, da die Kühlflächen, der Hochfrequenz- Weg und das Netzteil größer ausgelegt werden müssen.

Fig. 7 zeigt eine Weiterbildung der Erfindung. Die Verstärkung wird durch eine Spannungsgegenkopplung im üblichen Sinne durch das Verhältnis der Widerstände RV03 und RV05 bestimmt. Die Spannungsverstärkung der Schaltung ergibt sich durch die Transistoren TV05 und TV06. Der Transistor TV06 ist hier als ge­ steuerte Stromquelle dargestellt. So wirkt er als Arbeitswider­ stand für den Transistor TV05 und sichert einen hohen Verstär­ kungsfaktor. Die Hochfrequenz wird über den Kondensator CV08 zu­ geführt. Die Erhöhung der Transitfrequenz der Transistoren TV06 und TV05 erfolgt durch die Gleichspannung, welche an dem Widerstand RV17 und CV09 anfällt. Der Kollektorstrom des Transistors TV06 wird erhöht und damit auch die Transitfrequenz. Wie in Fig. 6 dargestellt ist, verschiebt sich der Arbeitspunkt AP1 auf den Arbeitspunkt AP2. Je nach Bedarf ergeben sich auch Zwischenwerte. Damit die symmetrische Aussteuerung erhalten bleibt, wird nun über die Widerstände RV05 und RV03 wieder der richtige Arbeitspunkt für den Transistor TV05 eingestellt. Der Transistor TV05 arbeitet nun ebenso mit einem höherem Strom. Damit ist nun auch seine Transitfrequenz erhöht worden. Übli­ cherweise werden für die Transistoren TV05 und TV06 Komplemen­ tärtypen verwendet. Somit ist die Gleichspannungsverstärkung bis hin zu den höchsten Frequenzen symmetrisch und hoch. Da dieser Fall nur bei speziellen Signalen auftritt, kann die Auslegung der Kühlung und des Netzteils vereinfacht werden.

Wenn der Hochfrequenz-Arbeitspunkt durch Stromerhöhung in den Transistorstufen TV05 und TV06 verbessert wird, wird gleichzei­ tig für eine Stabilisierung der Schaltung gesorgt. Der Transi­ stor TV07 liefert nur mehr Regelstrom, wenn er genug Hochfre­ quenz angeboten bekommt. So ist sichergestellt, daß eine Überregelung der Gesamtschaltung nicht möglich wird. Wird der Transistor TV06 und somit auch der Transistor TV05 über das Op­ timum hinaus geöffnet, dann sinkt die Hochfrequenzamplitude wie­ der, und der Regelstrom steigt nicht mehr an. Daher bleibt diese Schaltung automatisch im Maximalwert = Optimum für die Hochfre­ quenz stehen. Gleichspannungsanstiege werden über Gegenkopp­ lungswiderstände RV03 und RV05 ausgeregelt. Somit ist nur ein Betrieb zwischen dem Kompromißminimum für Videosignal und dem Hochfrequenz-Optimum möglich.

Fig. 8 zeigt, daß nur bei speziellen Signalen das Frequenzspek­ trum im oberen Bereich wirklich hoch ausgesteuert wird. Fig. 8.1 zeigt das Videosignal V und Fig. 8.2 das Testsignal T.

Die Verbesserung der Aussteuerungsfähigkeit ist in Fig. 9 dargestellt. Die maximale Ausgangsspannung max.A ist in Abhän­ gigkeit von der Frequenz F im Fall ohne Reglung oR mit Regelung mR dargestellt.

Bei einer erprobten Schaltung wurden folgende Bauteile verwen­ det:

Claims (10)

1. Verfahren zur Ansteuerung des Arbeitspunktes einer Verstär­ kerstufe (1), dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelgröße in Abhängigkeit von der frequenzmäßigen Aussteuerung der Ver­ stärkerstufe gewonnen und mit dieser Regelgröße der Arbeits­ punkt der Verstärkerstufe (1) verschoben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkerstufe (1) ein Emitterfolger (2) mit einem Transi­ tor (TV07) nachgeschaltet ist und daß die Regelgröße aus dem Strompfad des Transitors (TV07) gewonnen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit steigender Frequenz die Blindströme in dem Transistor (TV07) ansteigen und die Regelgröße aus dem Spannungsabfall an einem Widerstand (RV30) im Strompfad des Transitors (TV07) gewonnen wird und/oder daß die mit der Frequenz ansteigende Verlustleistung des Transitors (TV07) die Regelgröße liefert.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelgröße über Kondensatoren (CV22/CV23) gleichgerichtet und/oder gefiltert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelgröße an einem linearen Eingang der Verstärkerstufe (1) gewonnen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Regelgröße der Arbeitspunkt der Verstärkerstufe (1) in Richtung höherer Transitfrequenz der Transistoren und damit verbundener höherer Hochfrequenz-Aussteuerbarkeit (HF) verschoben wird.

7. Schaltung für ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerstufe (1) aus zwei Transi­ storen (TV05, TV06) besteht und/oder ein Emitterfolger (2) nachgeschaltet ist.

8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitterfolger (2) einen Transistor (TV07) enthält.

9. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang der Verstärkerstufe (1) mit der Treiberstufe (3) über einen Widerstand (RV15) verbunden ist.

10. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelgröße über einen Hochpaß (4) den Arbeitspunkt der Ver­ stärkerstufe (1) ansteuert.